DE4022022A1

DE4022022A1 - Hochspannungshalbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE4022022A1
Application number: DE4022022A
Authority: DE
Inventors: Tatsuhiko Fujihara
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1990-07-11
Publication date: 1991-01-17
Anticipated expiration: 2010-07-12
Also published as: US5077590A; DE4022022C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungshalbleitervorrich tung, bei der eine Zenerdiode als Schutzelement an einer Seite eines Halbleitersubstrats integriert ist, auf dem ein Hochspannungsleistungshalbleiterelement mit Hauptelektroden auf beiden Seiten ausgebildet ist.

Eine Halbleitervorrichtung, die einen PN-Übergang zwischen einer Substratzone und einer Elementzone verwendet, damit das auf einer Seite des Halbleitersubstrats integrierte Element nicht von einer Spannung beeinflußt wird, die an der auf der anderen Substratseite befindlichen Hauptelek trode anliegt, ist als ein Selbstisolationstyp bekannt. Fig. 2 zeigt einen Teil einer Zenerdiode, wie sie in einer Halbleitervorrichtung eines solchen Selbstisolationstyps eingesetzt wird. In der Figur ist eine n^- Bulkschicht 3 auf ein n⁺ Siliciumsubstrat 1 geschichtet, an dessen einer Sei te eine Elektrode 2 angebracht ist. Eine p^- Wanne 4 ist se lektiv an der Seite des Substrats 1 ausgebildet, an der sich die n^- Schicht 3 befindet. Eine n⁺ Zone 5 ist in der dem Substrat 1 abgewandten Seite der p^- Wanne 4 ausgebil det. Diese n⁺ Zone 5 wird zur Kathodenzone der Zenerdiode, während die p^- Wanne 4 ihre Anodenzone darstellt. Eine p⁺ Zone 6, die von der Oberfläche bis zur n^- Schicht 3 reicht, umgibt die n⁺ Zone 5. Eine Anodenelektrode 7 der Zenerdiode kontaktiert diese p⁺ Zone 6, und eine Kathodenelektrode 8 kontaktiert die n⁺ Zone 5, jeweils im Bereich von Öffnungen eines Isolierfilms 9. Durch Verbinden der Elektrode 7 mit einer Elektrode eines anderen integrierten Elements und Verbinden der Elektrode 8 mit dem Anschluß eines weiteren integrierten Elements ist es möglich, daß die Zenerdiode eine Schutzfunktion gegen Überspannung ausübt. Die p⁺ Zone 6 oder die p⁺ Zonen 6 sind nützlich als Trennzonen und, ob wohl auf sie verzichtet werden könnte, bewirken sie die Un terdrückung des Betriebs parasitärer Elemente, die zwischen integrierten Elementen gebildet werden.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem eine bidirektionale Ze nerdiode als Schutzelement gegen eine bidirektionale Über spannung ausgebildet ist. Hier sind zwei n⁺ Kathodenzonen 5 in der p^- Wanne 4 ausgebildet und mit jeweiligen anderen integrierten Elementen oder Anschlüssen über sie kontaktie rende Kathodenelektroden 8 verbunden.

Diese Zenerdioden, die von der p^- Wanne 4 und den n⁺ Zonen 5 gemäß Darstellung in den Fig. 2 und 3 gebildet werden, sind von dem PN-Übergang zwischen der n^- Schicht 3 und der p^- Wanne 4 gegenüber einer positiven Spannung an der Elek trode 2 abgetrennt.

Wenn es erwünscht ist, die Zenerdurchbruchsspannung der in Fig. 2 oder Fig. 3 gezeigten Zenerdiode zu erhöhen, dann muß die Störstellenkonzentration in der p^- Wanne 4, also der Anodenzone der Zenerdiode, gesenkt werden. Wenn diese Störstellenkonzentration der p^- Wanne 4 gesenkt wird, wird jedoch der Gleichstromverstärkungsfaktor h_fe eines parasi tischen bipolaren Transistors mit der n⁺ Kathodenzone 5 als Emitter, der p^- Wanne 4 als Basis und der n^- Bulkschicht 3 und dem n⁺ Substrat 1 als Kollektor größer. Damit wird die maximale Spannung V_CE ₀ zwischen dem Kollektor und dem Emit ter gesenkt. V_CE ₀ liegt beispielsweise bei 90 bis 95 V, wenn die Zenerdurchbruchsspannung 5 V beträgt, und bei 80 bis 85 V, wenn die Zenerdurchbruchsspannung 10 V ist. V_CE ₀ wird auf 50 V gesenkt, wenn die Zenerdurchbruchsspannung auf 25 V angehoben wird. Da dieses V_CE0 die an die Elektro de 2 anlegbare Spannung bestimmt, das heißt die Sperrspan nung der gesamten Halbleitervorrichtung, bedeutet dies, daß die Sperrspannung der gesamten Halbleitervorrichtung ab nimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Problem zu lösen und eine Halbleitervorrichtung mit einer integrierten Zenerdio de zu schaffen, die eine hohe Zenerdurchbruchsspannung aufweist, ohne daß die Sperrspannung der gesamten Halblei tervorrichtung gesenkt würde.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Halbleiter vorrichtung gemäß dem Patentanspruch gelöst.

Indem der Teil der zweiten Zone, der sich mit der ersten Zone im Kontakt befindet, eine niedrige Störstellenkonzen tration aufweist, wird die Störstellenkonzentration auf der Emitterseite des Emitter-Basis-Übergangs eines parasitären bipolaren Transistors gesenkt und damit auch der Faktor h_fe verringert. Der parisitäre bipolare Transistor setzt sich aus der zweiten Zone des ersten Leitungstyps als Emitter, der ersten Zone des zweiten Leitungstyps als Basis und der übrigen Zone des Halbleitersubstrats des ersten Leitungs typs als Kollektor zusammen. Durch die vorgenannte Maßnahme wird V_CE0 des parasitären bipolaren Transistors erheblich gesenkt, aber die Zenerdurchbruchsspannung der Zenerdiode, die von der Störstellenkonzentration der ersten Zone be stimmt wird, nimmt kaum ab.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Zenerdiodenteils einer Hochspannungshalbleitervorrichtung gemäß einer Aus führungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Zenerdiodenteils einer herkömmlichen Hochspannungshalbleitervorrichtung,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Zenerdiodenteils einer anderen Hochspannungshalbleitervorrichtung und

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Zenerdiodenteils einer Halbleitervorrichtung mit hoher Sperrspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der für Teile, die mit solchen in Fig. 2 übereinstimmen, dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Ähnlich dem Fall von Fig. 2, ist eine n^- Schicht 3 mit einer Störstellenkonzentration von etwa 10¹³ bis 10¹⁶ cm^-3 auf eine n⁺ Schicht 1 aufge schichtet. Eine p^- Wanne 4 ist durch Ionenimplantation mit einer Dosis von etwa 1 × 10¹³ cm^-3 in dieser n^- Schicht 3 ausgebildet. In der p^- Wanne 4 ist eine n^- Kathodenzone 51 durch Ionenimplantation mit einer Dosis von etwa 1 × 10¹² bis 3 × 10¹² cm^-3 ausgebildet. In der Kathodenzone 51 ist durch Ionenimplantation mit einer Dosis von etwa 5 × 10¹⁵ cm^-3 eine n⁺ Kathodenzone 5 ausgebildet. Zusätzlich weist die Anordnung gemäß Fig. 1 eine p⁺ Trennzone 6, eine Elek trode 2, die das n⁺ Substrat 1 kontaktiert, eine Anoden elektrode 7, die die p⁺ Trennzone 6 kontaktiert und eine Kathodenelektrode 8, die die n⁺ Kathodenzone 5 kontaktiert, in ähnlicher Weise wie im beschriebenen herkömmlichen Fall auf. Dabei stehen die Elektroden 7 und 8 mit der jeweiligen Zone über Öffnungen in einem Isolierfilm 9 im Kontakt.

Durch Ausbilden einer Zenerdiode in dieser Weise, die sich aus der p^- Wanne (Anodenzone), der n^- Kathodenzone 51 und der n⁺ Kathodenzone 5 zusammensetzte, wurde ein Wert von 92 V als V_CE0 des parasitären bipolaren Transistors mit der n⁺ Zone 5 und der n^- Zone 51 als Emitter, der p^- Wanne als Ba sis und der n^- Schicht 3 und dem n⁺ Substrat 1 als Kollek tor ungeachtet der Zenerdurchbruchsspannung von 25 V erhal ten.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine bidirektionale Zenerdiode in ähnlicher Weise wie in Fig. 3 ausgebildet ist. Die Kathodenzonen beider Zenerdioden setzen sich aus jeweils einer n⁺ Zone 5 und ei ner n^- Zone 51, die die Zone 5 umgibt, zusammen. Hiermit konnte die Sperrspannung der gesamten Halbleitervorrichtung erhöht werden. Wenn die für die jeweiligen Zenerdioden er forderlichen Sperrspannungen voneinander verschieden sind, kann jedoch die Sperrspannung der gesamten Halbleitervor richtung dadurch erhöht werden, daß nur die Kathodenzone einer der Zenerdioden als Doppelzone ausgeführt wird.

Claims

Hochspannungshalbleitervorrichtung mit einer Zenerdio de, die an der Hauptfläche an einer Seite eines Halblei tersubstrats (1) eines ersten Leitungstyps ausgebildet ist und sich aus einer ersten Zone (4) eines zweiten Leitungs typs, die an der Hauptfläche der einen Seite des Halblei tersubstrats (1) liegt, und einer zweiten Zone (5, 51) des ersten Leitungstyp, die in der ersten Zone (4) ausgebildet ist und ebenfalls an der Hauptfläche an der einen Seite liegt, zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (51) der zweiten Zone (5, 51), der mit der ersten Zone (4) im Kontakt steht, eine geringere Stör stellenkonzentration als der Abschnitt (5), der von der er sten Zone (4) weiter entfernt liegt, aufweist.